2020 Fiscal Year Research-status Report
Effects of longitudinal magnetic field on biological effectiveness of charged-particle therapy
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20K08123
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
稲庭 拓 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 物理工学部, グループリーダー(定常) (10446536)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松本 謙一郎 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 放射線障害治療研究部, グループリーダー(定常) (10297046)
鈴木 雅雄 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 放射線障害治療研究部, 上席研究員(定常) (70281673)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 粒子線治療 / 外部磁場 / 生物効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者等は、粒子線照射時に（１）粒子線の進行方向と平行に0.6 T程度の外部磁場を掛けると粒子線の細胞殺傷効果が有意に増強され、（２）粒子線の進行方向と直交する方向に外部磁場を掛けても細胞殺傷効果に変化がない、ことを細胞実験で確認した。しかしながら、この現象のメカニズムについては解明されていないのが現状である。そこで本研究では、そのメカニズムを、物理的、生物的、化学的な側面から解明するとともに、本現象を用いた新たな粒子線治療法の実現可能性を検討することを目的とする。
物理的な機序解明へのアプローチとして、外部磁場による粒子線の飛跡構造の変化を評価するため、蛍光飛跡検出器に炭素線をスポット照射し、それを共焦点レーザー顕微鏡で解析することで、二次電子の拡がりを含む炭素線の飛跡構造に関するデータを取得した。解析的な計算で予測された通り、0.6 T程度の外部磁場では、蛍光飛跡検出器で検出可能な飛跡構造の変化は確認されなかった。化学的アプローチとして、粒子線照射によって標的内に生じるOHラジカルの局所生成密度が外部磁場の有無によって変化するかを調べる実験を行った。EPRスピントラッピング剤（DMPO）濃度の異なる反応溶液に炭素線を一定線量照射し、反応溶液中に生じるDMPO-OHをX-band EPRで測定することでOHラジカルの局所生成密度を求めた。平行磁場の有無によってOHラジカルの局所生成密度に有意な変化は確認できなかった。生物的アプローチとして、平行磁場を印加するタイミングを粒子線照射の直前、最中、直後と変えて細胞照射実験を行い、細胞殺傷効果の変化を調べた。細胞殺傷効果の増強は、粒子線照射中に平行磁場を印加した場合にのみ観測された。このことから、平行磁場に依る細胞の感受性や修復能の変化が本現象の機序では無いと考えられる。これらの結果については、原著論文にまとめる予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和2年度に計画していた、(1-1)蛍光飛跡検出器による飛跡構造測定、(1-2)X-band EPR法を用いたOHラジカルの局所生成密度測定、(1-3)磁場印加タイミングを変えた細胞照射実験、については順調に実験および解析を終えている。ここで得られた研究成果については、国際学会にて発表するとともに、原著論文として発表した。このように平行磁場効果の機序解明に向けた照射実験自体は、当初の計画通りに進展している。しかしながら、本現象を用いた新たな粒子線治療法の実現可能性を検討することを目的として実施する動物実験用の磁場発生器の製作や、磁場下での粒子線飛跡構造モンテカルロシミュレーション用計算機の発注が遅れており、令和3年度への繰越金が発生している。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度は、第一に動物実験用磁場発生器および周辺機器の仕様決定、発注作業を行う。また、磁場下での微細な飛跡構造シミュレーションを行うGeant4-DNAモンテカルロシミュレーション用計算機についても、仕様決定、発注作業を行う。これらの機器の納品を待つ期間には、粒子線照射により生じる過酸化水素の生成量に対する外部磁場の影響を評価する実験および平行磁場による細胞殺傷効果の増強に占める間接効果の寄与を評価する細胞照射実験を実施する。磁場発生器や計算機が納入され次第、当初の計画に沿って、(2-1)マウスの足に移植した腫瘍に対する炭素線および鉄線照射実験、(2-2)平行磁場下での粒子線飛跡シミュレーション、を行っていく。令和3年度に実施する研究内容についても、国内学会および国際学会での発表、原著論文の執筆を行う予定である。令和4年度は、当初の計画通り、令和4年度までに得られた実験結果を総合して、平行磁場効果の機序の解明に迫りたい。また、平行磁場効果を用いた新たな粒子線治療の実現可能性について評価する予定である。
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| Causes of Carryover |
（理由）
コロナの影響で、当初の実験計画を変更する必要が生じた。磁場発生器やモンテカルロシミュレーション用計算機の仕様は、実験結果を踏まえて検討する必要があったため、仕様策定や発注に遅れが生じた。
（使用計画）
2021年6月中には磁場発生器とモンテカルロシミュレーション用計算機の仕様を決定し、発注する。また、令和3年度に得られた成果を2021年12月に開催される国際学会に発表する予定であり、その旅費としても使用する。
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[Journal Article] Biomedical research program at present and future high-energy particle accelerators.2020
Author(s)
V. Patera, Y. Prezado, F. Azaiez, G. Battistoni, D. Bettoni, S. Brandenburg, A. Bugay, G. Cuttone, D. Dauvergne, G. France, C. Graeff, T. Haberer, T. Inaniwa, S. Incerti, E. Nasonova, A. Navin, M. Pullia, S. Rossi, C. Vandevoorde, M. Durante
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Journal Title
Frontiers in Physics
Volume: 8
Pages: 380-1-16
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Fully integrated Monte Carlo simulation for evaluating radiation induced DNA damage and subsequent repair using Geant4-DNA2020
Author(s)
D. Sakata, O. Belov, M-C. Bordage, D. Emfietzoglou, S. Guatelli, T. Inaniwa, V. Ivanchenko, M. Karamitros, I. Kyriakou, N. Lampe, I. Petrovic, A. Ristic-Fira, W-G. Shin, S. Incerti
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 10
Pages: 20788-1-13
DOI
Peer Reviewed
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